檸檬酸酯的生產方法
2023-05-04 13:25:36
專利名稱：檸檬酸酯的生產方法
技術領域：
本發明背景本發明一般涉及用於生產檸檬酸酯的各種方法，更具體地說，本發明涉及適用於從含有部分純化的檸檬酸的發酵液中製備檸檬酸酯的各種方法。
作為進一步的背景資料，檸檬酸是一種可用於食品、製藥、化妝品及塑料工業中的生物上存在的物質。特別是在塑料工業中，檸檬酸是生產檸檬酸酯增塑劑的一種原料。
自從C.Wehmer在19世紀90年代開始進行早期的研究工作以來，人們在發酵生產檸檬酸的各種方法中傾注了極大的熱情及大量的投資。就運一點而論，每年世界上所生產的不低於700百萬磅的檸檬酸幾乎所有都來自發酵的方法，例如通過一種碳源如糖蜜，採用微生物黑麴黴(Aspergillus Niger)進行發酵得來。通常，來自這種發酵的發酵液含有約不低於10％(重量)的檸檬酸，以及約不低於1000ppm的鹽、約1％(重量)的碳水化合物，和2％(重量)的蛋白質、胺基酸和其他物質。
從這種介質中提純檸檬酸在學術界和工業界中一直是備受關注的課題。一般而言，迄今為止人們已使用了三種技術，它們分別是沉澱、溶劑萃取和固相聚合物吸附及隨後進行解吸。對於第一種技術沉澱，我們可以肯定地說它是一種工業規模採用的更加優選的技術，雖然對於其他兩種技術人們也已經付出了巨大的努力。在沉澱方法中，通常將氫氧化鈣(石灰)加入到發酵後的介質中以生成微溶的檸檬酸三鈣四水合物。經恰當地操作後，這種沉澱使大部分的雜質都留在了溶液中。通過對過濾後的沉澱物進行洗滌可以進一步除去雜質。為了進一步提純產品，可使溼的沉澱物與硫酸進行反應，得到硫酸鈣(石膏)和游離酸的溶液。然後用活性炭和離子交換樹脂處理游離酸溶液，再蒸發成結晶狀的檸檬酸產品。正如我們所認識到的那樣，這種沉澱方法的效率在很大程度上取決於恰當地和小心地進行所包括的各個步驟。因而它是一種要求高度提純的靈敏的方法(特別是在工業規模時尤其如此)。
用來提純檸檬酸的第二種技術是溶劑萃取。在該技術中，採用各種溶劑烴，如辛烷、苯、煤油、醚、酯、酮或胺將檸檬酸從發酵液中萃取出來。然後採用加熱或生成檸檬酸鹽將檸檬酸重新從溶劑相萃取進水中。然而這種溶劑萃取技術也是昂貴和複雜的。此外，溶劑萃取還產生了相當大量的需要處置的廢物，從成本及環境的觀點來看這種方法是不吸引人的。
人們提議的第三種技術包括使用固體吸附劑將檸檬酸從介質中移出。然後採用一種解吸劑將所吸附的檸檬酸從聚合物中回收。例如，Kawabata等人在美國專利第4,323,702號中描述了採用一種其主要組分為具有吡啶骨架結構和交聯結構的聚合化合物的材料用於回收羧酸的一種方法。然後採用脂族醇、脂族酮或羧酸酯作為解吸劑對所捕獲的羧酸進行解吸。Kulprathipanja在美國專利第4,720,579號中描述了一種方法，其中採用中性的、非離子的、大網狀的、水不溶的交聯苯乙烯-聚(乙烯基)苯的一種吸附劑將檸檬酸從發酵液中分離出來，然後採用丙酮/水混合物進行解吸。
Kulprathipanja等人在美國專利第4,851,573號中描述了另一種方法，其中將具有連接叔胺官能基或吡啶官能基的交聯丙烯酸或苯乙烯樹脂基體的吸附劑作為檸檬酸的吸附劑，然後優選採用硫酸進行解吸。Kulprathipanja在另一篇美國專利第4,851,574號中還描述了採用具有連接脂族季胺官能基的交聯丙烯酸或苯乙烯樹脂基體作為吸附劑將檸檬酸從發酵液中分離出來。
正如我們將會了解到的那樣，上述用於提純檸檬酸的各種技術以及通常在所有方法中所使用的去除糖分的最終結晶方法為最終產品添加了相當大的成本。反之，相當大的成本被加入到檸檬酸下遊的產品中。例如，如前所述，在檸檬酸的其他用途當中，檸檬酸是檸檬酸酯的一種重要的原料，而檸檬酸酯對於PVC組合物(例如參見美國專利第4,870,204號、第4,789,700號、第4,711,922號和第4,824,893號)和生物可降解的聚合組合物(例如參見美國專利第5,556,905號)而言特別可用作增塑劑。大部分的檸檬酸酯都是通過使提純後的檸檬酸(如工業級或USP級)與合適的醇在酯化反應催化劑的存在下進行酯化反應製得。然而，由使用這種提純級的檸檬酸的成本壓力造成了極大的缺陷，因為檸檬酸酯的製造量及使用量都較大。
德國專利第1 041 944號描述了一種方法，其中據稱從粗製的檸檬酸發酵液中製備出檸檬酸酯。更具體地說，其作者描述了一種用於生產檸檬酸酯的方法，其中採用苯和乙醇對粗製的30％檸檬酸發酵液進行脫水成糖漿。將丁醇和乙酸丁酯連同錫催化劑加入到該糖漿中，然後將混合物加熱至140-160℃的溫度，然後加入氫氧化鉀終止反應。用碳酸鈉水溶液洗滌所得的反應產物，蒸餾粗製的混合物。作者報導在所回收的物質中得到了乙醯基檸檬酸三丁酯。
如上所述，人們仍需要對用作增塑劑的重要檸檬酸酯尋求各種經濟的生產路線。合乎需要的這種路線應該避免提純所造成的高成本，而同時得到適用於用作PVC和其他塑料的工業增塑劑的檸檬酸酯產品。本發明正適應這些需要。本發明概要本發明的特徵之一是我們意想不到地發現所需檸檬酸酯產品可通過使含有較不純的檸檬酸的發酵液進行酯化作用(如果在酯化之前對這種發酵液進行處理以去除陽離子的話)進行製備。因此，本發明的一個優選實施方案提供了一種製備檸檬酸酯的方法，它包括(i)從產生檸檬酸的發酵中提供含有檸檬酸的發酵液，對該發酵液先進行處理以除去陽離子雜質；和(ii)使含有檸檬酸的發酵液與醇進行反應以酯化檸檬酸並生成檸檬酸酯。我們發現在進行酯化作用之前除去陽離子能使產生的顆粒狀雜質的形成減少至最低程度，並極大地改進反應速率和產品收率及產品純度。本發明這個令人意想不到的方面使得可以經濟地生產檸檬酸酯，同時避免與將檸檬酸做成提純狀態如工業級或USP級的檸檬酸有關的高成本。
在一個特別優選的方面中，本發明提供了如上所述用於製備下式I的檸檬酸三酯組合物(composition)的方法
其中R＝H、R2-CO-或Ph(-R2)n-CO-，其中R2為C1-C18脂族基團，n為0或1，和Ph為苯基基團；每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H、C1-C18脂族基團或脂環族基團，或R2(OR3)m-，其中R2如上所定義，R3為C1-C8烷基基團，m為1-15的整數，和其中高達約40％的基團R1為H(即酯組合物中的羧酸基團有約60％-約100％被酯化)。該本發明的方法包括(i)使已進行過處理除去陽離子的含有檸檬酸的發酵液與一種或一種以上式R1-OH(其中R1如上所定義)的醇進行反應生成式I的檸檬酸酯(其中R＝H)，和(ii)任選地使步驟(i)的產物與式R2CO-X、Ph(-R2)n-CO-X、R2-CO-O-CO-R2或Ph(-R2)n-CO-O-CO-(-R2)n-Ph(其中R2和n如上所定義，X為滷素)的醯滷或酸酐進行反應生成式I的產物(其中R＝R2-CO-或Ph(-R2)n-CO-，其中R2、n和Ph如上所定義)。
本發明另一個優選的實施方案提供一種用於製備檸檬酸酯的方法，它包括(i)使醇與含有水溶性雜質的含水檸檬酸源進行化合以提供具有水相的反應介質；(ii)使反應介質進行反應生成檸檬酸酯，使所述檸檬酸酯從所述水相中分離到有機相中，所述水相基本上保留了所述水溶性雜質；和(iii)將含有檸檬酸酯的有機相從水相中分離出來。在其一種形式中，該實施方案應用於生成本身不充分地溶於水中以便形成獨立的有機相的檸檬酸酯。在其他形式中，該實施方案應用於生成相對溶於水中的檸檬酸酯，將一種惰性的、不溶於水的有機溶劑加入到反應介質中以提供有機相，至少一部分檸檬酸酯產物進入有機相，籍此從保留於水相中的水溶性雜質中分離出來。在其中任一形式中，檸檬酸酯產物從反應的水相中移出促使酯化平衡向酯產物的一邊移動，籍此有利於製備過程的進行。當在這些方法中採用未經提純或部分提純的檸檬酸發酵液作為檸檬酸源時，很容易將各種水溶性雜質如鹽、糖和/或其他水溶性有機化合物從檸檬酸酯產物中分離出來。在本發明該實施方案中優選的檸檬酸酯是式I的檸檬酸酯。因此，如上所述，可使醯基滷或酸酐與所得的檸檬酸酯產物進行反應以使其羥基官能化。
本發明一個特別優選的實施方案提供了一種用於製備檸檬酸三丁酯的方法。該方法包括使丁醇(優選為正-丁醇)與含水檸檬酸進行反應生成檸檬酸三丁酯，反應在足以提供一種包括水相和含有檸檬酸三丁酯的獨立有機相的反應介質的條件下進行。然後將有機相從水相中分離出來以回收檸檬酸三丁酯。
本發明另外優選的實施方案提供由此處所述的各種方法所生產的檸檬酸酯組合物以及通過這種檸檬酸酯組合物進行物理改性如增塑的聚合組合物。
本發明為經濟地製備適用作增塑劑的檸檬酸酯提供了改進的方法以及由這種方法所能製備的檸檬酸酯和通過這種酯進行物理改性的聚合組合物。從以下的說明中本發明的其他目的、特徵和優點將顯而易見。附圖的簡述
圖1提供了本發明用於生產檸檬酸酯的優選的總方法的示意圖。優選實施方案的描述為了加強對本發明原理的理解，現將提及其某些實施方案，並將使用術語對其進行描述。然而應理解的是本發明的範疇並未因此而受到局限，此處所說明的本發明原理的替代、進一步的修改和應用應視為本領域技術人員通常將會遇到的本發明所涉及的問題。
如上所述，本發明發現了用於製備檸檬酸酯組合物的改進方法。根據本發明的一個方面，使已經過處理去除陽離子的含有檸檬酸的發酵液與醇進行反應生成檸檬酸酯。我們發現雖然對檸檬酸發酵液(含有大量陽離子)直接進行酯化得到不合需要的含有顆粒的粗製混合物，但對已經過處理去除陽離子的檸檬酸發酵液進行酯化得到了較好的、基本上沒有顆粒的檸檬酸酯產品。
根據本發明的另一個方面，通過使醇和含有水溶性的各種雜質(如通常存在於發酵液中的鹽、糖等)的含水檸檬酸源進行化合，提供具有水相的反應介質來製備檸檬酸酯。使該反應介質進行反應生成檸檬酸酯。檸檬酸酯進入從水相中分離出來的有機相中，而水相則保留各種水溶性的雜質。然後將含有檸檬酸酯的有機相通過例如常規層分離技術如潷析等從水相中分離出來。
就本發明中有用的各種原料而言，檸檬酸源可以是來自發酵生產檸檬酸的含有檸檬酸的發酵液。例如，該發酵液可從採用一種適宜的生產檸檬酸的微生物如黑麴黴對碳源(如碳水化合物如玉米糖、糖蜜或馬鈴薯提取物)進行發酵而來。關於檸檬酸發酵的其他資料可參見其中文獻的主體部分，包括例如美國專利第3,438,863號、第3,632,476號、第4,155,811號、第5,081,025號和第5,237,098號。
正如本領域技術人員所了解的那樣，檸檬酸發酵液通常將含有水、檸檬酸、糖、鹽、胺基酸、蛋白質以及其他各種低含量的組分。來自發酵罐的發酵液含有不低於約10％(重量)、通常為10-20％(重量)的檸檬酸，而鹽的濃度通常不低於約1000ppm。通過常規澄清方法如過濾可使這種發酵液不含原始發酵液中所含有的不溶性有機或無機物。
對於本發明某些優選的方法而言，對這種發酵液進行處理以達到部分提純效果(包括去除陽離子)，但比起工業級或USP級的檸檬酸物質來其純度仍基本上較低，並且還包含大量的糖。在進行本發明的酯化步驟之前也可以任選地通過蒸發或任何其他適宜的方法對發酵液進行濃縮。考慮到這一點，在進行酯化反應前可以進行蒸發，例如將發酵液濃縮至檸檬酸超過30％(重量)，例如30-60％(重量)，通常約為50％(重量)。
至於將陽離子從發酵液中除去，可通過如採用一種適宜的酸型陽離子交換樹脂處理粗製的含有檸檬酸的發酵液(在將細胞量從發酵後的介質中除去之後)來完成。這種處理可包括使發酵液流經含有凝膠或大孔形式的陽離子交換樹脂的柱，並收集除去陽離子的洗脫髮酵液。至於適用於此目的的具體陽離子交換樹脂除了相關領域的技術人員所公知的各種各樣的陽離子交換樹脂外還包括售自Rohm Haas的Amberlyst 15、Amberlite 120、Amberlite 200。至於被除去的陽離子，正如我們所公知的那樣，發酵液通常含有各種鹽，包括K、Na、Ca、Mg和Fe陽離子。有效地將這些陽離子除去以防在隨後的酯化反應中生成不合需要的固體，和/或將其對應的陰離子轉化為有助於催化酯化反應的酸形式。
為了能用於本發明中，也可以任選地對發酵液進行處理以去除其他物質。例如，可對發酵液進行處理以基本上將作為雜質的陰離子和/或胺基酸和/或蛋白質從發酵液中除去。然而根據本發明我們發現，即使進行酯化反應同時將水蒸餾掉，為獲得能被接受的檸檬酸酯產物無須進行處理以使發酵液不含糖(糖很難從檸檬酸中分離出去)。因此，一般而言，雖然其他的各種雜質都可被除去，但在本發明優選酯化步驟中反應的發酵液可含有大量的糖，如至少約1％(重量)的糖，通常為約1％-約20％(重量)的糖。該糖可以是以一種或一種以上的糖的形式存在，如可包括葡萄糖、蔗糖、木糖、甘露糖、麥芽糖、果糖和/或半乳糖。
根據本發明的一個方面，酯化反應在蒸餾的條件下進行，在蒸餾釜中將水從反應混合物中除去。對於利用揮發性較大的醇，如甲醇或乙醇的反應而言，在蒸餾/反應過程中可加入額外量的醇。當使用揮發性較小的醇如丁醇或高級鏈醇時，則通常不需要再添加醇。此外，如需要，這種蒸餾可在一種與水可共沸的試劑存在下進行。
根據本發明的另一個方面，酯化反應可在非蒸餾的條件下進行。在該方面，可使含水的、含雜質檸檬酸源與醇反應製備檸檬酸酯產物，當該產物生成後進入獨立的有機相中。在反應達到所需程度的轉化率(如50％以上、優選80％以上、更優選90％以上)後，將有機相從液相中分離出來。酯產物以這種方式在有機相中進行回收，並且很容易地從水溶性的及水不溶性的各種雜質中分離出來，同時避免了進行水的蒸餾分離。如此可避免大量用於水蒸發的能量需求(如在蒸餾酯化反應中)。此外，這樣做避免了產物被各種水溶性雜質如鹽、糖等和/或被在劇烈的蒸餾中可能出現的這些雜質熱分解產物所汙染和/或著色。檸檬酸酯在分離到有機相中後可按需要進行進一步的提純。
在檸檬酸酯基本上完全不溶於水或相對不溶於水中的情況下，檸檬酸酯自身可以形成獨立的有機相。在這種情況下在反應介質中無須包括任何另外的試劑或惰性有機溶劑以提供有機相(雖然如需要可包括其中的一種)。例如，在通過使檸檬酸與正-丁醇反應優選製備檸檬酸三正丁酯中起始的反應介質是作為單一的水相存在。由於檸檬酸三正丁酯較不溶於水中，因此當其生成後即形成了獨立的有機相。
在檸檬酸酯相對溶於水的情況下，在反應介質中可包括另外的試劑如惰性有機溶劑以提供含有檸檬酸酯產物的獨立的有機相。適用於此目的的惰性有機溶劑包括各種不溶於水的芳族溶劑，如甲苯、苯、二甲苯、乙基苯等，以及具有高達約20個碳原子的水不溶的脂族溶劑，如己烷、辛烷、庚烷、癸烷等，各種醚，如二苯醚、二苯基乙烷等，各種滷代溶劑，如氯仿、四氯化碳、氯代苯、含氯氟烴等。
另一種方法或除了使用不溶於水的有機溶劑外，可將水溶性的分離劑加入到反應混合物中以降低檸檬酸酯產物在水相中的溶解度，從而使檸檬酸酯產物形成或進入獨立的有機相中。例如，可加入一種水溶性鹽如鹼金屬或鹼土金屬滷化物，如氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀等用於這些目的。當採用較不純的檸檬酸原料時，根據本發明該方面進行的方法特別地有利，因由於各種水溶性雜質如糖和鹽在水相中的溶解度而從檸檬酸酯產物中得以分離出來。在對應的蒸餾方法中，這些鹽、糖和/或其他雜質將與檸檬酸酯產物一起留在蒸餾釜中，並對產物構成潛在汙染。此外，有機相與水相的液相分離避免了與反應介質中的水進行蒸餾分離相關的能量需求。
根據本發明該方面的方法優選在攪動或其他攪拌下進行。在優選的方法中，攪拌時反應混合物形成了乳狀液。此外，正如本領域技術人員將會認識到的那樣，這種方法可以在任何適宜的壓力(包括低於大氣壓、大氣壓和超計大氣壓的壓力)下進行。
現參照圖1，所示的是根據本發明的檸檬酸酯總生產方法的示意圖。將糖、營養物和產生檸檬酸的微生物送入進行發酵的發酵罐1中。將來自發酵後的濃度通常為約15％(重量)檸檬酸並包含糖和陽離子的檸檬酸發酵液送往澄清器2，並進行澄清(過濾)以去除細胞量。然後使澄清後的發酵液流經陽離子脫除器3並進行處理以除去陽離子。例如，陽離子脫除器3可以是如上所述的陽離子交換樹脂。然後將除去陽離子的發酵液送往濃縮單元4並通過例如蒸發方法進行濃縮。例如濃縮4可方便地為降膜蒸發器。然後將所得濃縮後的發酵液連同醇、催化劑以及任何所用的惰性有機溶劑一起送入到反應器5中進行酯化反應。酯化反應最好進行攪拌，並且可以以間歇或連續的方式進行。優選酯化反應以連續的方式進行將檸檬酸源、醇、催化劑和任選的溶劑連續地加入到反應器5中，將水相/有機相反應後的混合物連續地從反應器5中移出。考慮到這一點，這種連續的反應可方便地在連續攪拌釜式反應器(CSTR)(它是一種優選適用於當反應混合物通過管道時得以攪動或攪拌的連續管道式反應器)或其他類似的設備中進行。
在這種連續的反應中，控制各種反應劑在反應器5中平均停留時間以便獲得所需的轉化為檸檬酸酯產物的轉化率，提供水相和含有酯產物的獨立有機相。反應器1內的停留時間將取決於幾個因素，包括反應器的溫度、醇與檸檬酸的反應性、所需的轉化率水平以及其他類似的很容易為本領域技術人員所選擇和控制的因素。然而通常反應器內的停留時間將為約0.5-約10小時，更通常為約1-5小時。然後將包括水相和有機相的反應後混合物送往分離器6，在其中將有機相從水相中分離出來。分離器6可以是例如常規的層分離裝置如連續潷析器等。含有糖的水層可進入廢水中。含有檸檬酸酯產物的有機層可進行進一步的提純，例如可通過流經蒸餾塔7進行蒸餾以除去任何殘餘的水、醇和/或溶劑，提供提純後的檸檬酸酯。在進行任何蒸餾前，當檸檬酸酯產物是相對不溶於水中時，也可以採用含水介質進行洗滌以進一步去除水溶性的各種雜質。此外，可對檸檬酸酯組合物進行處理，例如通過漂白或其他適宜的方法將其脫色。
根據本發明，通過使檸檬酸源與一種或一種以上通常高達約30個碳原子的醇進行反應可以製備各種檸檬酸酯。考慮到這一點，根據本發明可採用單一的醇或各種醇的混合物來製備酯。通常將採用單一的醇。當檸檬酸三酯是所需的產物時，在酯化反應中優選每摩爾檸檬酸使用至少3摩爾的醇。
至於優選的產物，根據本發明製備的特別優選的檸檬酸酯組合物具有下式I
其中R＝H、R2-CO-或Ph-R2n-CO-，其中R2為C1-C18脂族基團，n為0或1，和Ph為苯基基團；每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H、C1-C18脂族基團或脂環族基團，或R2(OR3)m-，其中R2如上所定義，R3為C1-C8烷基基團，m為1-15的整數；和其中高達約40％的基團R1為H(即酯組合物中的羧酸基團有約60％-約100％被酯化)。
為了製備這種優選的組合物，使檸檬酸源(如來自澄清後的發酵液或部分提純後的發酵液)與式R1-OH的醇進行反應，其中R1如上所定義。用於本發明中的說明性具體的醇包括甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、叔丁醇、戊醇、己醇、環己醇、庚醇、十八烷醇、油醇等，以及烷氧基醚醇，如具有式R2(OR3)m-OH的醇，其中R2為C1-C18烷基、更優選為C1-C6烷基，R3為C1-C8烷基，和m為1-15的整數、更優選為1-5。適用於本發明中的烷氧基醚醇包括鏈烷二醇的一烷基醚，如2-乙氧基乙醇、2-丙氧基乙醇、2-丁氧基乙醇等，以及較長鏈的物質，如2-(2-丙氧基乙氧基)乙醇、2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇等。可用於本發明中的烷氧基醚醇可經各種本領域及文獻中眾所周知的途徑獲得，也可購自Union Carbide Corp.，New York，New York和Eastman Chemical Products，Kingsport，Tennessee。優選的基團R2(OR3)m-將含有不超過約30個碳原子，更通常為不超過約15個碳原子。
此外，酯化反應最好在酯化催化劑的存在下進行。適宜的這種催化劑通常是公知的。在本發明中，優選的酯化反應催化劑為金屬有機催化劑(如公開於美國專利第4,711,922號和第4,824,893號中的有機鈦酸鹽)以及酸性催化劑如無機酸(如硫酸或鹽酸)和有機磺酸。
通常通過使檸檬酸與脂族、芳族的醯滷或酸酐或混合的脂族-芳族羧酸(通常具有高達約30個碳原子)進行反應也可以將其羥基轉化為酯基。優選該反應在羧基基團酯化後進行。用於本發明該方面中的適宜原料包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、壬酸等，直到較長鏈的羧酸，如油酸、亞油酸和硬脂酸的醯滷和酸酐。苯甲醯滷或酸酐是酯化羥基的優選芳族化合物，雖然應理解的是其他類似的芳族羧酸醯滷或酸酐也是適宜的，並且都在本發明的精神和範疇之內。為了製備包括上述式I的酯的優選組合物，醯滷或酸酐(如果使用的話)將具有式R2-CO-X或Ph(-R2)n-CO-X或R2-CO-O-CO-R2或Ph(-R2)n-CO-O-CO(-R2)n-Ph，其中R2和n如上所定義，X為滷素，如氯或溴。
本發明優選的酯化反應通常在高達約200℃、更通常為高達約150℃如約50℃-約150℃的溫度下進行，並可以反應完全生成全酯(如其中低於5％、優選低於2％式I中的基團R1為H)，或在本發明的一些方面，反應可在獲得所需的較低水平的酯化程度後終止(如其中5％-約40％式I中的基團R1為H)，生成部分酯。
根據本發明製備的檸檬酸酯組合物可以方便地用作生成改性聚合組合物的增塑劑，它們也可以形成本發明的一部分。例如，根據本發明所生產的部分酯比起其對應的全酯來更具有親水性，其程度取決於酯化反應的水平。當採用部分酯來物理改性包括可降解的、相對親水性的聚合物(如纖維素聚合物(如澱粉)和聚酯聚合物(如聚(乳酸))的組合物時可利用該親水特性(例如參見美國專利第5,556,905號)。全部或主要的全酯在PVC材料的改性中特別有用(例如參見美國專利第4,870,204號、第4,789,700號、第4,771,922號和第4,824,893號)。
本發明現將參照以下具體的實施例進行更為具體的描述。應理解的是這些實施例僅是說明性的而非對本發明構成局限。
實施例1將4000克含有600克檸檬酸和40克α-D-葡萄糖在3360克城市用水中的混合物在減壓下濃縮至液體溫度為50℃，蒸汽溫度為40℃(90mmHg)，得到857克的濃縮液。使濃縮液與500毫升乙醇和8.63克對-甲苯磺酸混合，混合物在大氣壓下進行蒸餾。蒸餾過程中以約0.8毫升/分的速率加入新的乙醇以補償被移出的餾出液。繼續進行蒸餾直至反應混合物中檸檬酸的濃度達到1.2％為止。通過在減壓下(液體溫度為110℃，20mmHg)進行進一步蒸餾除去剩餘的乙醇，得到929克含有檸檬酸三乙酯的濃縮液。在減壓下(蒸汽溫度為168-186℃，0.7mmHg)蒸餾濃縮液(101.5克)，得到87.1克酸度為0.68％(以檸檬酸計)的C-2酯。
實施例2使已經過處理去除陽離子的含有47％檸檬酸的發酵液(1225克)與732.6克正丁醇、10克對-甲苯磺酸和50毫升甲苯進行混合。混合物在大氣壓下在Dean-Stark條件下進行蒸餾以除去水分。注意將液體溫度保持在120℃以下。5小時後或當除去146毫升水時，從反應容器中取出樣品並通過滴定法測定其檸檬酸的含量。如果檸檬酸含量大於1.0％，則加入額外的甲苯繼續進行蒸餾直至反應混合物中的檸檬酸含量小於1％。當反應完成後，在減壓下(液體溫度為110℃，25-30mmHg)除去過量的甲苯和正-丁醇。用含水純鹼(15-20％)和水處理含有檸檬酸三丁酯的濃縮液以去除未反應的檸檬酸。通過採用漂白或活性炭的方法處理濃縮液可除去不合需要的顏色。
實施例3重複實施例2的程序，不同之處在於初始發酵液已經過處理以除去胺基酸，生成檸檬酸三丁酯產物。
實施例4(A)連續攪拌釜式反應器的平衡用蠕動泵將三柱床體積(約300毫升)含有1016.4克水、1016.4克檸檬酸、1568.5克正丁醇和20.3克濃硫酸的溶液泵到500毫升裝有機械攪拌器並在保持於150℃的油浴中加熱的三頸圓底燒瓶中。反應器體積達到約100毫升後，將反應混合物以保持反應器中體積恆定的速率從反應容器中泵出。當反應器達到平衡時，各種反應劑的溫度達到127℃。平衡期間所有移出的混合物均被棄去。
(B)酯化用蠕動泵將具有與上述部分(A)初始溶液相同體積和組成的溶液泵進以0.77毫升/分的速率連續加熱並且反應產物以保持反應器中體積恆定的速率移出的、平衡後的攪拌反應燒瓶中。反應期間各反應劑的溫度保持在127℃，且反應劑在反應器內的停留時間為130分鐘。將從反應器中移出的反應混合物(3618.2克)進行冷卻並分層，除去下層(1076.7克)。上層(2541.5克)用500毫升稀的碳酸氫鈉和三部分各500毫升的水進行洗滌。蒸餾有機層以除去水和未反應的正丁醇，並且濃縮液通過氣相色譜法進行分析。一次通過CSTR後反應完成94.1％，所得檸檬酸三丁酯的純度為99.0％。
實施例5將含有1016.4克水、1016.4克檸檬酸、1568.5克正丁醇和20.3克濃硫酸的溶液加入到裝有加熱套的玻璃圓底燒瓶中。將混合物加熱至97℃並回流72小時，得到兩相反應混合物。該反應混合物按實施例4中所述進行處理。72小時後反應完成57.1％。
本發明具體參照其優選實施方案進行了上述的描述。然而應理解的是在不背離本發明精神和範疇的情況下對所公開的方法可進行各種各樣的修改和完善。這種修改和完善需要受到保護。此外，此處所引述的所有出版物表明在相關技術領域的水平，每一篇以其整體通過引用併入本文並如同單獨引用的效果。
權利要求
1.一種用於製備檸檬酸酯的方法，它包括從生產檸檬酸的發酵中提供一種含有檸檬酸的發酵液，該發酵液已經過處理除去各種陽離子雜質；和使所述含有檸檬酸的發酵液與一種或一種以上醇進行反應以酯化檸檬酸。
2.一種用於製備檸檬酸酯的方法，它包括從生產檸檬酸的發酵液中提供一種含有檸檬酸的發酵液，該發酵液已經過處理除去各種陽離子雜質，該發酵液含有約1％(重量)-約20％(重量)的糖；和使所述含有檸檬酸的發酵液與一種或一種以上醇進行反應以酯化檸檬酸並生成所述檸檬酸酯。
3.一種用於製備檸檬酸酯的方法，它包括(i)使醇和含有各種水溶性雜質的含水檸檬酸源進行混合以提供一種具有水相的反應介質；(ii)使該反應介質進行反應以生成檸檬酸酯，所述檸檬酸酯進入從所述水相中分離出來的有機相中，所述水相保留了各種水溶性雜質；和(iii)將含有檸檬酸酯的有機相從水相中分離出來。
4.一種製備檸檬酸酯的連續方法，它包括(i)連續地將醇、含水檸檬酸和酯化催化劑送入反應器中以提供具有水相的反應介質；(ii)連續地使反應介質進行反應以提供一種包括檸檬酸酯的反應後混合物，所述檸檬酸酯進入從所述水相中分離出來的有機相中；和(iii)連續地將反應後的混合物從反應器中排出。
5.權利要求1-4中任一項的方法，其中所述檸檬酸酯具有下式
其中每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H、C1-C18脂族基團或脂環族基團，或R2(OR3)m-，其中R2如上所定義，R3為C1-C8烷基基團，和m為1-15的整數；和其中高達約40％的基團R1為H。
6.權利要求5的方法，其中少於約5％的基團R1為H。
7.權利要求6的方法，其中每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H和C1-C18脂族基團。
8.權利要求7的方法，其中每一個R1(彼此之間可以相同，也可以不同)選自H和C1-C6脂族基團。
9.權利要求1-8中任一項的方法，其中所述一種或一種以上的醇包括正丁醇。
10.權利要求1-8中任一項的方法，其中所述一種或一種以上的醇包括乙醇。
11.權利要求1-8中任一項的方法，其中使一種醇與所述檸檬酸進行反應，所述醇為正丁醇，所述檸檬酸酯為檸檬酸三正丁酯。
12.權利要求1-8中任一項的方法，其中使一種醇與所述檸檬酸進行反應，所述醇為乙醇，所述檸檬酸酯為檸檬酸三乙酯。
13.權利要求1-9中任一項的方法，其中所述檸檬酸酯足以不溶於所述水相中以形成所述有機相。
14.權利要求1-8中任一項的方法，其中所述檸檬酸酯為檸檬酸三酯。
15.權利要求14的方法，其中所述檸檬酸酯為檸檬酸三丁酯。
16.權利要求1-8和10中任一項的方法，其中所述檸檬酸酯為水溶性，所述反應介質也包括不溶於水的惰性有機溶劑。
17.一種用於製備檸檬酸三丁酯的方法，它包括使丁醇與含水檸檬酸進行反應以生成檸檬酸三丁酯，該反應在足以提供包括水相及含有檸檬酸三丁酯的獨立有機相的反應介質的條件下進行；和將含有檸檬酸三丁酯的有機相從水相中分離出來。
18.通過根據權利要求1-17中任一項的方法製備的檸檬酸酯。
19.一種聚合組合物，它包含合成聚合物；和權利要求18的檸檬酸酯。
20.權利要求19的聚合組合物，其中所述合成聚合物為聚氯乙烯。
21.權利要求19的聚合組合物，其中所述合成聚合物為生物可降解的聚合物。
22.權利要求21的聚合組合物，其中所述合成聚合物為纖維素聚合物或聚酯聚合物。
23.權利要求22的聚合組合物，其中所述合成聚合物為聚(乳酸)。
24.權利要求22的聚合組合物，其中所述合成聚合物為纖維素聚合物。
全文摘要
本發明所描述的是以經濟的方式生產檸檬酸酯的方法。通過將含有檸檬酸的、已經過處理除去陽離子和任選其他雜質但含有糖的發酵液進行酯化反應製備所述酯。也可以通過使不純的含水檸檬酸源與醇進行反應以提供多相水/有機反應後的混合物(其中有機相含有所述酯而水相保留各種水溶性的雜質)來製備所述酯。然後採用液相分離方法以分離有機相和水相,能方便地將各種雜質從產物中分離出去並避免將水從反應介質中蒸餾除去的巨大能量需求。
文檔編號C07C67/08GK1275975SQ98806893
公開日2000年12月6日 申請日期1998年5月12日 優先權日1997年5月12日
發明者E·P·弗拉皮爾, J·E·達維斯, M·格倫德澤, E·F·V·斯克裡文, J·T·懷斯, K·－W·楚 申請人:萊利工業公司